半导体雷射技术发展情况精.docx

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半导体雷射技术发展情况精

半導體雷射技術發展情況

文/顏勝宏1、洪暄惠2、蔡妙嬋2、郭艷光3

1國立彰化師範大學物理研究所博士生

2國立彰化師範大學光電科技研究所碩士生

3國立彰化師範大學物理系暨光電科技研究所教授兼進修學院院長

前言

三五族半導體材料已被廣泛應用在人類生活中，例如：

發光二極體（Light-EmittingDiode,LED）及半導體雷射（LaserDiode,LD），其應用範圍包括照明、指示器光源、光資訊儲存系統、雷射印表機、光纖通訊及醫療等。

由於體積小、耗電少、亮度高等優點，發光二極體自1968年問世以來早已成為日常生活中不可或缺的光電元件。

近年來由於磊晶技術的突飛猛進，使得發光二極體得以達到多彩化，故其應用領域愈來愈廣，不再侷限於室內，進而也邁向戶外顯示器的發展。

而雷射二極體自從1960年代發明至今，也已發展成為光資訊儲存系統與光通訊不可或缺的重要光電元件，目前已有應用於光資訊儲存、條碼掃描、影像紀錄與雷射醫療等用途。

雷射二極體主要分為側射型雷射（Edge-EmittingLaser,EEL）與面射型雷射（Vertical-CavitySurface-EmittingLaser,VCSEL）兩大系統。

側射型雷射由於光學增益區域較大，具有較大的發光功率，因此主要應用在光學儲存系統，其主要發光波段在於紫光到紅光範圍（400nm–700nm）；面射型雷射由於出光面積較大，雷射光點發散角小，因此適合應用於光纖通訊系統，其主要發光波段在於近紅外光範圍（1.3µm–1.55µm）。

短波長紅光材料主要以AlGaInP為主，可用於DVD光碟機或燒錄機之雷射光源。

除此之外，紅光面射型雷射在PMMA聚合物光纖材料中的損失較低，同時其具有高速、圓形光束以及平面結構等優點，因此適合應用在短程光纖通訊系統；藍光雷射或是紫光雷射則以InGaN為主要發光材料。

目前紫光波段的InGaN雷射二極體已成功發展出儲存密度可高達20GB以上的儲存系統並成功量產。

假以時日，更短波長的紫外光雷射光源將可使得儲存密度獲得大量提升。

早期1.3μm及1.55μm雷射二極體的發展主要以InGaAsP為發光材料，然而過低的導電帶與價電帶能隙差比值（0.4：

0.6）導致在高注入電流時會產生過大的熱效應，進而影響元件的效能。

目前長波長的新穎材料以InGaAsN與InGaAsNSb為主，這一新穎材料的優點是成長雷射結構時，具有較大的導電帶與價電帶能隙差比值（0.79：

0.21），因此高溫操作時可以有效侷限電子於活性層中以減少電子溢流，並有效降低熱效應的影響。

此外，在InGaAsN材料中加入Sb，除了可以使波長成功延伸至1.55μm之外，更可以使得磊晶層的品質獲得提升[1]。

市場發展趨勢

InGaN雷射二極體應用於高密度儲存系統主要分成兩大陣營，分別是以東芝（Toshiba）為主的HDDVD以及新力（Sony）為主的Blu-ray。

然而，由於兩大陣營所發表的格式互不相同，同時有不同的支持者，因此兩大DVD格式之爭一直是令業界頭疼的問題。

其中HDDVD格式的主要支持者為派拉蒙（Paramount）和夢工廠（Dreamworks）；另一方面，大部份好萊塢電影公司所支持的則是以新力為主的Blu-ray。

除此之外，發明雙格式“TotalHD”光碟的時代華納（TimeWarner）也加入競爭的行列，使得下一代DVD格式的競爭更加白熱化。

根據資料顯示，目前的高解析度光碟市場，Blu-ray已經掌握了58%的產業支援率，HDDVD支持率為23%，而發行雙格式的時代華納則有19%的支持比例。

然而，由於DVD的兩大格式之爭容易造成消費者的困擾，因此美國好萊塢華納兄弟（WarnerBros.）發表聲明，將在2008年5月之後支持Blu-ray單一標準。

此一決定將使得目前的DVD市場偏向Blu-rayDVD格式。

因此，日前東芝的西田厚聰社長宣佈東芝將全面退出HDDVD規格的全部產品的開發與製造，HDDVD新產品的開發將立即停止，並於2008年3月底之前全面結束業務。

表一所列為紫光（405nm）雷射在2007年的產業狀況，由表中可以得知不同研究單位與公司所發表的紫光雷射功率皆有極大的突破。

現有DVD紫光雷射輸出功率則為130mW–150mW。

另外，由美國加州大學SantaBarbara分校（UCSB）ShujiNakamura領導的研究團隊研發出具有低臨界電流（lowthreshold-current）、非極性（nonpolar）的新型紫光雷射二極體。

此一新型元件結構將有效改善傳統InGaN雷射二極體沿著C-plane成長所存在的缺點，特別是高缺陷密度與極化效應的影響。

表一、紫光（405nm）雷射近來產業狀況

公司/研究單位

功率

優勢

使用壽命

Sharp

250mW

功率為業界最高，雙層光碟之錄影速度可達6倍速

日亞

420mW（Pulse）

輸出功率提高至原來的兩倍

5,000個小時以上

美國加州大學SantaBarbara分校（UCSB）

低臨界電流、非極性（nonpolar）新型藍紫光雷射二極體

三洋電機

200mW

藍紫光InGaN雷射二極體技術發展

以InGaN材料系統為主的雷射二極體由於沒有晶格匹配的基板以及沿著C-plane成長，會使得元件內部存在極大的壓電效應，同時會造成電子溢流現象而降低元件效能。

因此，如何克服這些問題一直以來都是許多研究單位以及公司所努力的目標，以下我們針對此一目的介紹幾個比較新穎的方法及內容。

（1）NonpolarM-planeInGaNLD（非極化M方向成長InGaN雷射二極體）

美國加州大學SantaBarbara分校（UCSB）近日宣佈，由ShujiNakamura領導的研究團隊，開發出具有低臨界電流、非極性的紫光雷射二極體，並表示這種二極體可以代替用於下一代DVD格式的C-plane紫光雷射二極體。

此一紫光雷射二極體的臨界電流密度只有7.5kA/cm2，具有清晰的遠場圖樣，脈衝執行狀態下雷射波長為405nm。

非極性紫光雷射二極體可以用於高解析度顯示器和視訊的高密度光學資料儲存、光學感測和醫學應用。

圖一即UCSB所發表之世界上第一個非極性紫光雷射二極體的遠場圖，由圖中白色亮點可以很清楚看出雷射的發光模式。

圖一、UCSB所發表之世界上第一個非極性紫光雷射二極體的遠場圖。

（資料來源：

http:

//www.ia.ucsb.edu/pa/display.aspx?

pkey=1554）

此一非極化成長的概念於2000年已被提出並發表於Nature期刊[2]，主要目的是為了製作沒有內建電場的白光發光二極體，同時可以提升元件的量子效率。

其主要概念如圖二所示，圖二為具有內建電場與沒有內建電場之GaN（5nm）/Al0.1Ga0.9N（10nm）量子井結構導電帶示意圖。

由於氮化物元件內部存在極大的內建電場，會導致電子與電洞在活性區中分開侷限而降低內部量子效率，使用非極性方向成長的方式則可以有效降低內建電場的影響並提升內部量子效率。

圖三（a）與圖三（b）分別為C方向（0001）GaN成長在（0001）方向的SiC以及M方向（

）GaN成長在（100）方向的γ-LiAlO2的晶體排列示意圖。

如圖三（a）與圖三（b）所示，GaN磊晶層的（0001）方向分別垂直與平行於基板。

由於Hexagonal結構在（0001）方向的原子受力不均勻，因此會沿此一方向產生極化。

因此圖三（a）之磊晶方向會導致元件內部沿長晶方向具有極化效應存在；而圖三（b）之磊晶方向則可以避免此一問題。

因此利用此一概念，可以成功成長出非極化的發光元件。

目前，UCSB在此一議題上的研究居於領先的地位，若此一新型結構發展更加成熟，將會使雷射二極體具有更低的操作功率和更長的壽命。

圖二、（a）具有內建電場與（b）沒有內建電場之GaN（5nm）/Al0.1Ga0.9N（10nm）量子井結構導電帶示意圖。

（擷取自Ref.2）

圖三、（a）C方向（0001）GaN成長在（0001）方向的SiC以及（b）M方向（

）GaN成長在（100）方向的γ-LiAlO2的晶體排列示意圖。

（擷取自Ref.2）

（2）StaggeredInGaNLD（交錯式InGaN雷射二極體）

近年來，為了有效降低InGaN元件因為壓電效應所造成電子電洞在量子井分開侷限的問題，交錯式（Staggered）量子井結構被應用在發光二極體與雷射二極體都分別被探討與應用[3]。

以下研究結果為本實驗室參考ShujiNakamura所發表之InGaN雷射二極體結構，模擬使用交錯式量子井結構的研究內容。

圖四所示為單層InGaN量子井結構與交錯式量子井結構能帶圖。

我們將量子井左側的In原子成份由0.12變化至0.22。

研究結果顯示，量子井左側的In原子成份為0.12時，量子井中的電子電洞波函數重疊效果最佳。

如圖四（a）所示，由於單層量子井結構受到壓電效應的作用，較大的內建電場使得能帶產生彎曲，導致電子電洞往量子井兩側分開侷限，則電子電洞波函數重疊效果只有36.43%。

由圖四（b）的結果可知，交錯式量子井結構能減少能帶彎曲程度並將電子電洞波函數重疊效果提升至54.63%，由圖中可以發現此一交錯式量子井結構使得電洞的波函數明顯往右邊移動而增加與電子波函數的重疊效果。

圖四、（a）傳統單層35-ÅIn0.18Ga0.82N量子井結構與（b）交錯式In0.12Ga0.88N（17.5Å）/In0.18Ga0.82N（17.5Å）量子井結構。

圖五為使用交錯式量子井結構之發光波長對量子井左側的In成份關係圖。

由圖中可以發現，活性區的發光波長隨著量子井左側的In成分由0.12增加至0.22時，發光波長具有明顯的紅位移現象。

圖六為交錯式量子井結構之臨界電流與斜率效率對量子井左側的In成份關係圖。

可以發現量子井左側的In成份為0.12時，雷射元件具有最低的臨界電流與最高的斜率效率，這是由於交錯式量子井結構能有效提昇電子電洞波函數重疊效果，使得輻射再結合機率獲得大量提升，同時降低非輻射再結合的機率。

圖六、交錯式量子井結構之臨界電流與斜率效率對量子井左側的In成份關係圖。

圖五、交錯式量子井結構之發光波長對量子井左側的In成份關係圖。

以氮化物為發光材料的元件效能一直以來都受到壓電效應以及電子溢流的影響。

為了減少此兩種效應的負面影響，許多研究方法與磊晶結構不斷的被提出。

在本文中，我們介紹上述兩種目前最新的研究方向提供相關領域的專家參考。

紅光AlGaInP雷射二極體技術發展

由於塑膠光纖（Plasticopticalfibers,POFs）在650nm附近的紅光區有最低的損失，因此GaInP/AlGaInP紅光雷射二極體除了用作DVD系統的光源之外，也適合做為光纖通訊的發光光源。

在光纖通訊的應用上，使用較低的發光功率可以使得元件壽命長達十萬小時以上。

然而，在可記錄的DVD應用上則仍無法達到這樣的需求。

因此，為了成長較佳的長晶品質，V/III流量比對於Zn摻雜的AlGaInP已經被探討過[4]。

而Ohgoh等學者則更進一步探討V/III流量比對於紅光雷射二極體元件特性的影響[5]。

我們參考的雷射結構使用GaInP/AlGaInP三量子井結構[5]，元件成長使用Low-pressureMOVPE磊晶方法。

圖七為GaInP磊晶層與GaInP/AlGaInP多量子井雷射結構的光激螢光強度與V/III流量比關係圖。

由圖可知GaInP磊晶層與GaInP/AlGaInP多量子井雷射結構最佳的V/III流量比趨勢並不相同。

相關研究顯示，隨著AlGaInP的V/III流量比增加，AlGaInP磊晶層的氧含量會減少，同時提升AlGaInP的磊晶層品質[6]。

由圖七之結果可以發現，GaInP磊晶層最佳的V/III流量比約為AlGaInP的V/III流量比的1/10，此一結果可由圖八獲得進一步之證實。

圖八為AlGaInP的V/III流量比固定為350時，GaInP/AlGaInP多量子井雷射結構的光激螢光強度與GaInP的V/III流量比關係圖。

結果顯示當GaInP量子井的V/III流量比為35時，雷射結構的光激螢光強度最強。

圖七、GaInP磊晶層與GaInP/AlGaInP多量子井雷射結構的光激螢光強度與V/III流量比關係圖。

（擷取自Ref.5）

圖八、GaInP/AlGaInP多量子井雷射結構的光激螢光強度與GaInP的V/III流量比關係圖。

AlGaInP的V/III流量比固定為350。

（擷取自Ref.5）

圖九為臨界電流與外部量子效率對GaInP的V/III流量比關係圖，AlGaInP的V/III流比量固定為350。

由圖九的結果可知，GaInP量子井的V/III流量比為35時，雷射結構的臨界電流與外部量子效率最佳，因此可以證明GaInP/AlGaInP多量子井雷射結構的磊晶品質會獲得明顯的提升。

值得注意的是，由以上探討可知，成長GaInP與AlGaInP時最佳的V/III流量比有明顯的不同，其差距大約為十倍。

因此在成長GaInP/AlGaInP多量子井結構時，如何在量子井與Barrier交替轉換的過程中穩定的控制氣體流量是一個很重要的因素。

圖九、臨界電流與外部量子效率對GaInP的V/III流量比關係圖，AlGaInP的V/III流量比固定為350。

（擷取自Ref.5）

1.3-μm及1.55-μm雷射二極體技術發展

InGaAsN成長在GaAs基板做為區域網路傳輸光源具有高特性溫度、高調變速度、高材料增益與低臨界電流等優點[7]。

除此之外，若使用GaAs-AlGaAs布拉格反射鏡（DistributedBraggreflectors,DBR）則可以製作面射型雷射。

以下分別對1.3-μmInGaAs量子點面射型雷射與使用光子晶體之面射型雷射做介紹。

（1）InGaAs量子點面射型雷射

活性區使用量子點結構已被證實具有低臨界電流、高特性溫度與較高的增益等優點，而且使用量子點結構也比量子井結構更容易延伸元件發光波長[8]。

圖十為交通大學光電工程研究所所設計的InGaAs面射型雷射，活性區使用量子點結構[8]。

圖十、InGaAs量子點面射型雷射的元件結構圖。

（擷取自Ref.8）

圖十一為InGaAs量子點面射型雷射的L-I-V性能圖。

此元件的發光波長約1.278μm，其臨界電流與臨界電流密度分別為1.8mA與7.6kA/cm2。

圖中近場圖顯示元件發光橫向模式為單一模式。

值得注意的是主要模式與次要模式壓制比（SideModeSuppressionRatio,SMSR）大於30dB。

圖十一、InGaAs量子點面射型雷射的L-I-V性能圖，插圖為在3mA的近場圖。

（擷取自Ref.8）

（2）單模操作光子晶體面射型雷射

圖十二為Leisher等學者於2006年發表在IEEEPhotonicsTechnologyLetters之元件結構圖[9]。

活性區為InGaAsN量子井結構。

為了得到單模輸出，圖中所示光子晶體區域與中空區域的設計，作者主要參考Yokouchi等學者於2003年發表於AppliedPhysicsLetters之文章[10]。

圖十二、光子晶體面射型雷射的元件結構圖。

（擷取自Ref.9）

圖十三（a）與圖十三（b）分別為不使用光子晶體與使用光子晶體之發光頻譜圖。

由圖十三（a）可以看出不使用光子晶體時，元件主要發光波長同時存在1.285μm與1.286μm。

由圖十三（b）可以看出當使用光子晶體時，元件主要與次要發光模式強度相差37dB。

圖十三、（a）不使用光子晶體與（b）使用光子晶體之發光頻譜圖。

（擷取自Ref.9）

近年來，1.3-μm雷射二極體以InGaAsN為主要發光材料，為了使發光波長能延伸至1.55μm，在InGaAsN材料中加入少量的Sb是不錯的選擇。

另外，為了能更容易與光纖耦合以及得到比較低的色散，使用面射型雷射並得到單模輸出是一個重要的議題，因此本文列舉以上兩種結構提供學者參考。

未來發展與展望

在這個知識爆炸的時代，經由網路傳輸資訊已漸漸成為人類彼此之間互相連絡所依賴的生活模式。

因此，快速的資料傳輸系統以及高密度的儲存系統更是日常生活中不可或缺的重要工具。

目前，中短程光纖通訊系統主要以AlGaInP材料為主要光源；長程光纖通訊系統主要以InGaAsN材料為主要光源。

為了能更容易與光纖耦合以及得到比較低的色散，發展面射型雷射結構與提升發光效能是主要的研究目標。

在高密度的儲存系統方面，下一代DVD使用405nm紫光雷射二極體為主要發光光源，其儲存密度可高達單片20GB以上。

此一雷射元件以InGaN為主要發光材料，由於沒有合適的基板與磊晶方向的限制，元件一直存在極大的壓電效應與電子溢流現象。

目前，越來越多的研究顯示，此兩項效應已能被有效的控制與抑制。

假以時日，若能提高紫外光雷射二極體的發光功率，則更高密度的光學儲存系統更是值得期待。

參考文獻

1.H.B.Yuen,S.R.Bank,M.A.Wistey,J.S.Harris,andA.Moto,“ComparisonofGaNAsSbandGaNAsasquantum-wellbarriersforGaInNAsSboptoelectronicdevicesoperatingat1.3–1.55µm,”J.Appl.Phys.96,6375（2004）.

2.P.Waltereit,O.Brandt,A.Trampert,H.T.Grahn,J.Menniger,M.Ramsteiner,M.Reiche,andK.H.Ploog,“Nitridesemiconductorsfreeofelectrostaticfieldforefficientwhitelight-emittingdiodes,”Nature406,865（2000）.

3.Sheng-HorngYenandYen-KuangKuo,privateinvestigation.

4.Y.Nishikawa,H.Sugawara,M.Ishikawa,andK.Kokubun,“EffectsofV/IIIratioonZnelectricalactivityinZn-dopedInGaA1Pgrownbymetalorganicchemicalvapordeposition,”J.Cryst.Growth108,728（1991）.

5.T.Ohgoh,A.Mukai,A.Mukaiyama,H.Asano,andT.Hayakawa,“Improvedcharacteristicsof660nmAlGaInPredlaserdiodesbyprecisecontroloftheV/IIIratioinmetal-organicvaporphaseepitaxy,”Appl.Phys.Lett.89,181117（2006）.

6.Y.Nishikawa,M.Suzuki,andM.Okajima,Jpn.J.Appl.Phys.32,498（1993）.

7.X.Zhang,J.A.Gupta,P.J.Barrios,G.Pakulski,andT.J.Hall,“Intrinsicdynamicpropertiesofhigh-characteristictemperatureGaInNAslaserdiodesoperatingat1.3μm,”IEEEPhoton.Technol.Lett.19,106（2007）.

8.Y.H.Chang,P.C.Peng,W.K.Tsai,G.Lin,F.Lai,R.S.Hsiao,H.P.Yang,H.C.Yu,K.F.Lin,J.Y.Chi,S.C.Wang,andH.C.Kuo,“Single-modemonolithicquantum-dotVCSELin1.3μmwithsidemodesuppressionratioover30dB,”IEEEPhoton.Technol.Lett.18,847（2006）.

9.P.O.Leisher,A.J.Danner,andK.D.Choquette,“Single-mode1.3-μmphotoniccrystalvertical-cavitysurface-emittinglaser,”IEEEPhoton.Technol.Lett.18,2156（2006）.

10.N.Yokouchi,A.J.Danner,andK.D.Choquette,“Etchingdepthdependenceoftheeffectiverefractiveindexintwo-dimensionalphotonic-crystal-patternedvertical-cavitysurface-emittinglaserstructures,”Appl.Phys.Lett.82,1344（2003）.